10.01.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Multiphysik-Simulation: Haushaltsgaszähler einfach optimieren

Multiphysik-SimulationQuelle: Raychem

In Indien sollen mehr Haushalte mit leitungsgebundenem Erdgas versorgt werden, um Emissionen zu verringern. Wie Forscher von Raychem RPG Multiphysik-Simulation nutzen, um die benötigten Haushaltsgaszähler zu optimieren.

Multiphysik-Simulation: Im 20. Jahrhundert haben fossile Brennstoffe die Energielandschaft in Indien dominiert. Dabei diente Diesel, Petroleum und Kerosin für die meisten industriellen und häuslichen Zwecke. Im ländlichen Raum dagegen kochten viele immer noch mit Kohle, Holz oder Dungfeuern.

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Land jedoch mehr und mehr zu einer gasbasierten Wirtschaft entwickelt, mit einer weit verbreiteten Nutzung von Flüssiggas (LPG) und komprimiertem Erdgas (CNG). Seit Kurzem steht vielen städtischen Haushalten sogar leitungsgebundenes Erdgas zur Verfügung. Diese Entwicklung erfordert jedoch, dass die Gasversorger messen können, wie viel der Abnehmer verbraucht.

Wie ein Gaszähler funktioniert

Ein Gaszähler ist ein spezieller Durchflussmesser, der in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden dazu dient, die Menge an Brenngasen, wie CNG oder LPG, zu messen, die durch eine Versorgungsleitung fließt. Dabei müssen Ingenieure beachten, dass Gase stark komprimierbar sind, weshalb sie schwieriger zu messen sind als Flüssigkeiten. Zudem reagieren sie empfindlich auf Temperatur- und Druckänderungen.

Warum es nicht „den“ Gaszähler gibt und wie die Multiphysik-Simulation hilft

Ein idealer Gaszähler misst das Volumen, unabhängig vom Druck, Menge oder Qualität des Gases. Allerdings gibt es solch einen Gaszähler nicht. Vielmehr gibt es verschiedene Ausführungen von Gaszählern, die je nach erwartetem Volumenstrom, Strömungsbereich, der Art des zu messenden Gase und anderen Faktoren gewählt werden. Zu den wichtigsten Typen von Gaszählern gehören Balgen-, Drehkolben- und Turbinenrad-Gaszähler sowie Ultraschall-Durchflussmesser und Coriolis-Zähler.

Raychem RPG ist ein Anbieter von Haushaltsgaszählern in Indien mit fast 80 Prozent des Marktanteils. Im Raychem Innovation Centre (RIC) in Gujarat, Indien, entwickelten Forscher vier neue Zähler-Designs, die mit Hilfe von Multiphysik-Simulationen konzipiert, optimiert und validiert wurden.

Design-Herausforderungen bei Gaszählern

Alle derzeit in Indien erhältlichen Gaszähler haben ihre individuellen Einschränkungen. Zum Beispiel können bei Balgengaszählern Leckagen an beweglichen Teilen und der Membran zu Messfehlern führen. Drehkolbengaszähler und Turbinenradzähler hingegen bestehen aus fast 35 Komponenten, was die Wahrscheinlichkeit von mechanischem Versagen und Ermüdung erhöht. Außerdem ist die Gehäusegröße für jeden Gaszähler festgelegt, so dass jedes neue Zählerdesign in die vorgegebenen Gehäuse passen muss. Daher ist die Größe des Geräts ein weiteres wichtiges Kriterium für jedes neue Zählerdesign. All diese unterschiedlichen Kriterien stellen eine Herausforderung für die Zulassung dieser Geräte in den abschließenden Qualitätsprüfungsphasen dar. Tatsächlich können die Ablehnungsraten sehr hoch sein.

Das Raychem-Team unter der Leitung von Ishant Jain machte sich daran, die Anzahl der Komponenten in Gaszählern zu minimieren und deren Ablehnungsquote während der Qualitätstestphase zu reduzieren, womit die Gesamtkosten für die Herstellung dieser Geräte gesenkt werden sollten. Zu diesem Zweck führte das Entwicklungs-Team Simulationsanalysen (Multiphysik-Simulation) in der Software Comsol Multiphysics durch.

Multiphysik-Simulation zur Validierung von vier Gaszählerdesigns

Das Team entwickelte vier Gaszähler auf der Grundlage einer Designoptimierung unter Verwendung von Kundenanforderungen und der Problemlösungsmethodik TRIZ (russische Abkürzung, die sich mit „Theorie zur Lösung erfinderischer Probleme“ übersetzen lässt). Sie begannen mit der Validierung eines Finite-Elemente-Modells eines konventionellen Zählerdesigns. Das Team erweiterte seine Erkenntnisse, um die vorgeschlagenen Designs zu bewerten.

1. Design: Plattenfederzähler mit Scotch-Yoke-Mechanismus

Multiphysik-Simulation
Bild: Raychem

Das erste der neuen Gaszählerdesigns ist eine Modifikation des bestehenden Blendensystems, bei dem die Stromabnehmerbaugruppe durch einen Scotch-Yoke-Mechanismus ersetzt wird, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren.

Mit dem optimierten Design war das Entwicklungs-Team in der Lage, zahlreiche mechanische Komponenten aus dem ursprünglichen Design einzusparen und gleichzeitig die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Messung zu verbessern. Statt 35 Komponenten des früheren Membran-Designs kommt die neue Variante auf 5 oder 6 Einzelteile. Das verbessert auch die mechanische Robustheit und die Integrität des Systems.

2. Design: Möbiusband-Turbinenradzähler

Multiphysik-Simulation
Bild: Raychem

Die nächste Ausführung besteht aus einer Möbiusband-Turbine, bei der die Rotation der Turbine zur Messung des Gasdurchflusses genutzt wird. Diese Gaszähler messen das Gasvolumen, indem sie die Geschwindigkeit des Gases, das sich durch das Möbiusband bewegt, bestimmen. Das Möbiusband-förmige Laufrad wird dem passierenden Gasstrom in den Weg gestellt, was die Welle in Rotation versetzt. Die Leistung der Welle wird auf ein Kegelradgetriebe übertragen. Die Turbine ermittelt die Geschwindigkeit des Gases, die mechanisch an ein elektronisches oder mechanisches Zählwerk übertragen wird.

Das Raychem-Team verwendete das CFD-Module und das Multibody-Dynamics-Module (Add-on-Produkte in Comsol Multiphysics), um die turbulente Gasströmung sowie die in der Turbine entstehenden Spannungen und das Drehmoment in der Multiphysik-Simulation zu modellieren.

Der Möbiusband-Turbinenradgaszähler erbringt eine gute Leistung, wenn der Gasdurchfluss hoch ist. Die Wirksamkeit des Geräts ist jedoch bei kleinen Druckabfällen begrenzt. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelte das Entwicklungs-Team einen weiteren ähnlich aufgebauten Durchflussmesser.

3. Design: Turbinenradzähler in Magnet- und Kugel-/Scheibe-Ausführung

Bild: Raychem

Bei dieser Ausführung wird ein Objekt, typischerweise eine Kugel oder eine Scheibe, so im Rohr angeordnet, dass es durch die Magnetkraft zum Schweben gebracht wird. Das Objekt wird mit dem Gasfluss im Rohr angehoben, und der Gasfluss wird durch dessen Höhe gemessen. Diese Art von Messgerät ist hochempfindlich und kann selbst einen kleinen Druckabfall korrekt messen. Die Forscher untersuchten die magnetischen Eigenschaften und die Geräteleistung mit den Erweiterungen AC/DC Module und dem CFD Module in Comsol Multiphysics. Sie kamen so zu einem optimierten Design, das selbst bei geringen Schwankungen der Gasdurchflussraten gut funktioniert.

4. Design in der Multiphysik-Simulation: Turbinenradzähler mit Schaufeln

Multiphysik-Simulation
Bild: Raychem

Die letzte Konstruktion basiert ebenfalls auf der Rotation einer Turbine, diesmal jedoch auf einer anderen Turbinenausführung. Die Turbinenbaugruppe mit festen Leit- und Laufschaufeln ist hier als Stauelement im Hauptkanal platziert. Die von der rotierenden Turbine aufgenommene Energie wird zur Erregung eines thermischen Sensors verwendet, wodurch dieses Gerät zu einem selbst erregenden System wird. Die Leitschaufeln wirken wie eine Düse und leiten den Gasstrom zu den Laufschaufeln, die die Welle und das Kegelradpaar in Rotation versetzen. Der Gasfluss wird anhand der Rotation des Kegelradpaares oder durch Messung des Temperaturabfalls mit thermischen Sensoren gemessen.

Das Team nutzte die Erweiterungen CFD Module und Multibody Dynamics Module, um das Design abzuschließen. Die Simulationsstudien der Multiphysik-Simulation ermöglichten es den Entwicklern, einen intelligenten Energiegaszähler zu entwerfen, der nur aus einem U-förmigen Rohr und einem Sensor im Gehäuse besteht, wodurch er sehr kompakt und einfach zu installieren ist.

Zukunftspläne

Mit den validierten Simulationsergebnissen kam das Team zu vier neuen Gaszählerdesigns. Die Raychem-Entwickler sind zuversichtlich, dass diese Durchflussmesser den Anforderungen von Haushalts- und Industrieanwendungen gerecht werden. Die neuen Designs wurden in die engere Auswahl für die Produktion genommen und sollten bald für städtische Verbraucher in ganz Indien verfügbar sein, um direkt in die Gaszähler in ihren Häusern eingebaut zu werden.

Die Autorin Aditi Karandikar ist Marketing Managerin bei Comsol in Bengaluru, Indien.

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